Go 频道解锁：它们是如何工作的

深入Golang Channel：实现原理及性能优化建议

Golang的Channel是其CSP并发模型的关键组成部分，也是Goroutine之间通信的桥梁。Channel在Golang中被频繁使用，深入了解其内部实现原理至关重要。本文将基于Go 1.13源码分析Channel的底层实现。

Channel基础用法

在正式分析Channel实现之前，先回顾其基本用法：

package main
import "fmt"

func main() {
    c := make(chan int)

    go func() {
        c <- 1 // 发送操作
    }()

    x := <-c // 接收操作
    fmt.Println(x)
}

这段代码展示了Channel的两个基本操作：

• 发送操作：c
• 接收操作：x :=

Channel分为缓冲Channel和非缓冲Channel。上述代码使用了非缓冲Channel。在非缓冲Channel中，如果当前没有其他Goroutine接收数据，发送方会在发送语句处阻塞。

初始化Channel时可以指定缓冲区大小，例如make(chan int, 2)指定缓冲区大小为2。在缓冲区未满之前，发送方可以无阻塞地发送数据，无需等待接收方准备好。但如果缓冲区已满，发送方仍然会阻塞。

Channel底层实现函数

在深入Channel源码之前，需要找到Golang中Channel的具体实现位置。使用Channel时，实际上调用的是runtime.makechan、runtime.chansend和runtime.chanrecv等底层函数。

可以使用go tool compile -N -l -S hello.go命令将代码转换为汇编指令，或者使用在线工具Compiler Explorer (例如：go.godbolt.org/z/3xw5Cj)。通过分析汇编指令，可以发现：

• make(chan int)对应runtime.makechan函数。
• c 对应<code>runtime.chansend函数。
• x := 对应<code>runtime.chanrecv函数。

这些函数的实现都位于Go源码的runtime/chan.go文件中。

Channel构造

make(chan int)会被编译器转换为runtime.makechan函数，其函数签名如下：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan

其中，t *chantype是Channel元素类型，size int是用户指定的缓冲区大小（未指定则为0），返回值是*hchan。hchan是Golang中Channel的内部实现结构体，定义如下：

type hchan struct {
        qcount   uint           // 缓冲区中已放入元素的数量
        dataqsiz uint           // 用户构造Channel时指定的缓冲区大小
        buf      unsafe.Pointer // 缓冲区
        elemsize uint16         // 缓冲区中每个元素的大小
        closed   uint32         // Channel是否关闭，==0表示未关闭
        elemtype *_type         // Channel元素的类型信息
        sendx    uint           // 缓冲区中发送元素的索引位置（发送索引）
        recvx    uint           // 缓冲区中接收元素的索引位置（接收索引）
        recvq    waitq          // 等待接收的Goroutine列表
        sendq    waitq          // 等待发送的Goroutine列表

        lock mutex
}

hchan中的属性大致分为三类：

• 缓冲区相关属性: 如buf, dataqsiz, qcount等。当Channel的缓冲区大小不为0时，缓冲区用于存储待接收的数据，使用环形缓冲区实现。
• 等待队列相关属性: recvq包含等待接收数据的Goroutine，sendq包含等待发送数据的Goroutine。waitq使用双向链表实现。
• 其他属性: 如lock, elemtype, closed等。

makechan函数主要进行一些合法性检查和缓冲区、hchan等属性的内存分配，这里不再深入讨论。

基于hchan属性的简单分析，可以看出其中有两个重要的组成部分：缓冲区和等待队列。hchan的所有行为和实现都围绕这两个组成部分展开。

Channel数据发送

Channel的发送和接收过程非常相似。先分析Channel的发送过程（例如c ）。

尝试向Channel发送数据时，如果recvq队列不为空，则会先从recvq头部取出一个等待接收数据的Goroutine，并将数据直接发送给该Goroutine。代码如下：

package main
import "fmt"

func main() {
    c := make(chan int)

    go func() {
        c <- 1 // 发送操作
    }()

    x := <-c // 接收操作
    fmt.Println(x)
}

recvq包含等待接收数据的Goroutine。当一个Goroutine使用接收操作（例如x := ）时，如果此时<code>sendq不为空，则会从sendq中取出一个Goroutine，并将数据发送给它。

如果recvq为空，则表示此时没有Goroutine等待接收数据，Channel会尝试将数据放入缓冲区：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan

这段代码的功能很简单，就是将数据放入缓冲区。这个过程涉及环形缓冲区的操作，dataqsiz表示用户指定的缓冲区大小（未指定则默认为0）。

如果使用的是非缓冲Channel或者缓冲区已满（c.qcount == c.dataqsiz），则会将待发送的数据和当前Goroutine打包成sudog对象，放入sendq，并将当前Goroutine设置为等待状态：

type hchan struct {
        qcount   uint           // 缓冲区中已放入元素的数量
        dataqsiz uint           // 用户构造Channel时指定的缓冲区大小
        buf      unsafe.Pointer // 缓冲区
        elemsize uint16         // 缓冲区中每个元素的大小
        closed   uint32         // Channel是否关闭，==0表示未关闭
        elemtype *_type         // Channel元素的类型信息
        sendx    uint           // 缓冲区中发送元素的索引位置（发送索引）
        recvx    uint           // 缓冲区中接收元素的索引位置（接收索引）
        recvq    waitq          // 等待接收的Goroutine列表
        sendq    waitq          // 等待发送的Goroutine列表

        lock mutex
}

goparkunlock会解锁输入的互斥锁并挂起当前Goroutine，将其设置为等待状态。gopark和goready是成对出现的，是互逆的操作。

从用户角度来看，调用gopark后，发送数据的代码语句会阻塞。

Channel数据接收

Channel的接收过程与发送过程基本类似，这里不再赘述。接收过程中涉及的缓冲区相关操作会在后面详细描述。

需要注意的是，Channel的整个发送和接收过程都使用了runtime.mutex进行加锁。runtime.mutex是runtime相关源码中常用的轻量级锁，整个过程并非最高效的无锁方案。Golang中存在一个关于无锁Channel的issue：go/issues#8899。

Channel环形缓冲区实现

Channel使用环形缓冲区缓存写入的数据。环形缓冲区具有诸多优点，非常适合实现固定长度的FIFO队列。

Channel中环形缓冲区的实现如下：

hchan中与缓冲区相关的两个变量：recvx和sendx。sendx表示缓冲区中可写的索引，recvx表示缓冲区中可读的索引。recvx和sendx之间的元素表示已正常放入缓冲区的数据。

可以直接使用buf[recvx]读取队列的第一个元素，使用buf[sendx] = x将元素放入队列的末尾。

缓冲区写入

当缓冲区未满时，将数据放入缓冲区的操作如下：

package main
import "fmt"

func main() {
    c := make(chan int)

    go func() {
        c <- 1 // 发送操作
    }()

    x := <-c // 接收操作
    fmt.Println(x)
}

chanbuf(c, c.sendx)等价于c.buf[c.sendx]。上述过程很简单，就是将数据复制到缓冲区sendx位置。

然后，将sendx移动到下一个位置。如果sendx到达最后一个位置，则将其设置为0，这是一种典型的首尾相连的方法。

缓冲区读取

当缓冲区未满时，sendq也必须为空（因为如果缓冲区未满，发送数据的Goroutine不会排队，而是直接将数据放入缓冲区）。此时Channel的读取逻辑chanrecv比较简单，可以直接从缓冲区读取数据，也是一个移动recvx的过程，与上面的缓冲区写入基本相同。

当sendq中有等待的Goroutine时，缓冲区此时一定已满。此时Channel的读取逻辑如下：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan

ep是接收数据的变量对应的地址（例如，在x := 中，<code>ep就是x的地址）。sg表示从sendq中取出的第一个sudog。代码中：

• typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)表示将缓冲区中当前可读的元素复制到接收变量的地址。
• typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)表示将sendq中Goroutine等待发送的数据复制到缓冲区。因为后面执行了recv ，所以相当于将sendq中的数据放在队列的末尾。

简单来说，这里Channel将缓冲区中的第一个数据复制到对应的接收变量，同时将sendq中的元素复制到队列的末尾，从而实现FIFO（先进先出）。

总结

Channel作为Golang中最常用的设施之一，理解其源码有助于更好地使用和理解Channel。同时，也不要过度迷信和依赖Channel的性能，当前Channel的设计仍有很大的优化空间。

优化建议：

• 使用更轻量级的锁机制或无锁方案，以提高性能。
• 优化缓冲区管理，减少内存分配和复制操作。

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